發布時間：2025-12-03
近日，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心劉丹倩研究員受邀在國際期刊?Trends in Neurosciences?和 Free Radical Biology and Medicine發表兩篇綜述論文，從多角度闡述睡眠研究的前沿進展，并提出大腦調控睡眠的前瞻性理論框架。
一、REM睡眠的復雜性與層級調控
劉丹倩組在 Trends in Neurosciences?發表的綜述論文《Cracking the complexity of REM sleep》，系統梳理了快速眼動（rapid eye movement, REM）睡眠的重要進展，并首次提出“層級調控框架”，為系統認識REM睡眠提供了全新的概念基礎。
REM睡眠是夢境主要發生的階段，由多種神經振蕩與行為事件構成。海馬θ節律、腦橋PGO波（Ponto-geniculo-occipital waves）與皮層慢波等協同作用，同時伴隨快速眼動、面部抽動等行為特征，形成豐富的亞狀態結構。發育與演化研究顯示：新生兒中REM睡眠的肌張力缺失、快速眼動等核心特征按序成熟；章魚、蜥蜴等非哺乳類動物也具有“REM樣睡眠”，呈現物種特異的行為模式。這些提示，REM睡眠是由多個特征共同構成的多組分動態過程。
隨著光遺傳學、環路追蹤等技術的發展，REM睡眠的調控網絡已從單一中心擴展為跨全腦的分布式體系。為理解這一復雜網絡的組織原理，該綜述提出了全新的層級化調控框架。
1）?腦干：核心執行者。腦橋–延髓內分布著多個并行環路，分別控制肌張力缺失、快速眼動、PGO波等典型特征；這些環路之間緊密互作，共同起始與維持REM睡眠，是組織REM睡眠特征表達的關鍵。
2）?下丘腦：生理整合中樞。下丘腦整合溫度、代謝和晝夜節律等多種生理信號，并調控腦干網絡，決定REM睡眠的發生時機與強度，實現與生理狀態的動態適配。
3）?大腦皮層：自上而下的精細調控者。壓后皮層、前額葉皮層等高級腦區在?REM 睡眠中持續活躍，調節θ節律及亞狀態切換，使REM睡眠能夠根據情緒經歷與認知需求進行靈活調整。
4）?神經調質系統：全局調節器。膽堿能、去甲腎上腺素能和多巴胺系統以受體特異、時序敏感和環路特異機制，調控REM睡眠的啟動與穩定性。
閉環光遺傳等技術的發展，也使REM睡眠的功能逐步獲得因果性驗證。θ節律及其相位，以及前腦記憶相關環路的選擇性激活，使REM睡眠可執行記憶鞏固與遺忘的雙重作用；前額葉皮層等腦區情緒處理相關神經元在REM睡眠高度活躍對于削弱負性情緒至關重要；而前扣帶皮層等高級認知腦區在REM睡眠中的特異活動模式與推理和認知靈活性密切相關。
綜述提出，?REM睡眠在記憶、情緒與認知中的多樣作用，本質上源于層級化調控網絡的動態互作。未來研究應從追問“REM睡眠的整體作用”，轉向解析“REM睡眠各組分如何被層級動態調控、以執行特定功能”。逐一揭示REM睡眠中θ節律、PGO波、快速眼動及關鍵神經環路的因果作用，將有望闡明大腦構筑REM睡眠的核心邏輯，并為破解夢境機制、情緒障礙以及認知靈活性等重大科學問題開辟新方向。
論文鏈接：
https://www.cell.com/trends/neurosciences/abstract/S0166-2236(25)00221-8
二、ROS：睡眠穩態調控的關鍵機制
劉丹倩組在Free Radical Biology and Medicine發表的綜述論文《Physiological roles of reactive oxygen species in sleep homeostasis》，從環路與分子整合角度闡述了睡眠與氧化應激之間的雙向調控關系。文章提出活性氧（reactive?oxygen species, ROS）不僅反映睡眠壓力，更是被睡眠調控環路讀取、并轉化為驅動睡眠發生的核心信號。
綜述首先梳理了細胞類型特異的ROS熒光指示蛋白（如HyPer、roGFP2-Orp1）和高精度操控工具（如miniSOG、DAAO）的發展，并重點介紹了它們在活體大腦中的應用及局限性。對ROS的亞細胞水平在體實時監測與定量操控，為解析?ROS在睡眠-覺醒狀態轉換中的作用奠定了關鍵技術基礎。
短期睡眠缺失會在特定神經元中誘發顯著的ROS積累，觸發可逆的應激反應，而長期缺失睡眠則導致持續氧化損傷、神經炎癥和環路功能受損。跨物種證據進一步表明，ROS以細胞類型特異的方式編碼“覺醒時長”。例如，果蠅中線粒體ROS在促睡眠的 dFB 神經元中累積；而在小鼠中，延長清醒會使中腦促睡眠神經元的胞質 H?O? 持續上升，并在睡眠中下降，從而精準刻畫睡眠壓力隨時間的增長與釋放。更為關鍵的是因果證據表明，在適度范圍內的ROS（尤其是H?O?）可激活睡眠促進神經元、推動睡眠啟動；而過量ROS則會破壞睡眠結構，導致睡眠碎片化。這一“倒 U 型”規律揭示了ROS既是睡眠壓力的編碼者，也是睡眠穩態的核心調控器；維持ROS在生理感應范圍內，對睡眠穩態和健康具有重要意義，并為理解氧化應激相關疾病中的睡眠障礙提供了新的思路。
總體而言，該綜述提出，ROS是連接“為什么需要睡眠”與“睡眠如何被調控”的關鍵樞紐。通過將覺醒引發的氧化壓力轉化為睡眠驅動力，ROS在維持大腦代謝健康和生理穩態中發揮著核心作用。未來，識別ROS的分子信號靶點、解析細胞間氧化還原信號互作、以及建立跨物種研究框架，將推動對睡眠穩態機制的深入理解。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0891584925012985?via=ihub
上述兩篇綜述從分子信號到神經環路等不同層次，對大腦調控睡眠的關鍵機制進行了系統剖析與理論更新，強調睡眠并非由單一機制主導，而是由分子、細胞、環路乃至全腦網絡協同參與的動態過程。隨著多尺度技術的快速發展，未來圍繞睡眠—代謝—腦功能的多層次整合研究將不斷深化，有望推動睡眠醫學、神經精神疾病干預以及腦健康維護策略的發展與創新。
該論文相關研究受到國家科技創新2030重大專項、國家自然基金委等項目資助。
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